热红外高光谱成像技术的研究现状与展望

高光谱成像具有精细的光谱分辨能力,在热红外谱段实施高光谱成像对目标探测与识别有显著效果.与国外相比,我国在该领域的研究还相对薄弱,应用部门的研究主要基于国外数据,国内尚未有成熟的仪器.对国内外研究现状进行了详细调研,并结合目前国内已经布局的研究项目对该领域未来的发展进行了展望,对我国发展高性能空间红外光谱成像技术具有一定意义.

沙质土壤热红外高光谱特征及其含沙量预测研究

为明确土壤热红外高光谱数据反演土壤含沙量的应用潜力,利用102F型便携式傅里叶变换红外光谱仪对沙质土壤进行测量,在进行相关分析和主成分分析的基础上,对土壤发射率光谱特征进行了分析,并采用偏最小二乘回归和主成分回归两种建模方法预测土壤含沙量。结果表明,沙质土壤发射率光谱中二氧化硅的Reststrahlen特征表现明显,在8.13和9.17μm附近具有不对称强二重谱带,并且在12～13μm区间还有两个吸收强度相对较小的发射谷;土壤发射率随着含沙量的增加而降低,尤其是8.2-9.5μm和9.5-10.4μm两个谱段对土壤沙含量变化敏感,相关系数分别达到0.65和0.5以上,这两个谱段对整体光谱变化具有84.07%的贡献率;不同的光谱变量和建模方法在反演精度上存在明显差异,偏最小二乘回归模型的一阶微分光谱反演精度最高,其建模和预测的RMSE分别为0.45和0.53,R2分别为0.960 7和0.943 6,表明热红外高光谱在土壤含沙量预测方面具有很大的应用潜力。

热红外高光谱成像仪的灵敏度模型与系统研制

热红外谱段是对地观测高光谱遥感中非常有用的波段,受限于技术发展,热红外谱段的高光谱成像系统在国内的空间光电系统中并不多见,近年来在国家相关部门的支持下发展迅速,取得了较大进展。结合"十二五"期间研制的机载热红外高光谱成像仪系统,建立了信号流模型,对系统背景辐射进行了建模仿真,并对红外焦平面组件等效暗电流进行了分析测量,在此基础上得出了影响系统的探测灵敏度的关键因素,给出了系统设计低温光学100K制冷的设计依据。机载热红外高光谱成像仪研制完成后,还进行了探测灵敏度实际测量并与仿真结果进行了对比分析,对未来进一步发展热红外高光谱成像技术积累了重要数据。

热红外高光谱成像系统的背景抑制和性能优化

在分析热红外高光谱成像系统主要技术参数之间的制约关系的基础上,针对热红外高光谱成像系统目标能量微弱、背景热辐射严重等难点,提出了几种有效抑制背景辐射的措施,并建立了一套高背景抑制的热红外高光谱推帚式成像实验装置,实现了地面试验成像.根据冷背景实验结果,分析了热红外高光谱成像系统的性能和各种影响因素的关系,并提出了系统性能优化的可行性.

机载热红外高光谱成像仪的光谱性能测试与初步应用

介绍了机载热红外高光谱成像仪样机的低温光谱仪设计特点,为了检测系统的光谱识别能力,在实验室开展了详细的光谱性能测试。为满足气体探测对超高光谱精度的需求,提出了采用CO2激光器结合高精度单色仪的方法应用于色散型高光谱成像系统。在实验室对氨气气体进行了准确的红外吸收光谱测试,表明系统可用于气体探测及识别。在此基础上,开展了飞行试验,应用结果表明热红外高光谱可以有效开展城市典型建筑物分类、工业化学气体排放种类和形态监测等应用,特别是后者是目前其它光学遥感手段尚不具备的。以上研究和试验结果表明机载热红外高光谱成像仪已经具备了业务应用能力,后续将在仪器辐射定量化精度的提升方面进一步开展研究工作。

热红外高光谱成像仪(ATHIS)对矿物和气体的实验室光谱测量

首先介绍了热红外高光谱成像应用的独特优势,然后论述了机载热红外高光谱成像仪(Airborne Thermal-Infrared Hyperspectral Imaging System,ATHIS)灵敏度优化设计方法,结合仪器特点介绍了实验室矿物发射光谱和气体吸收光谱测量的辐射模型,分析了样本红外光谱与温度分离的数据处理流程。在此基础上,利用ATHIS开展了矿物发射光谱和气体红外吸收光谱的实验室测量,结果表明,利用ATHIS仪器和本文建立的数据方法具备准确反演矿物发射率光谱和气体吸收光谱的能力,后续将利用该仪器开展多平台的遥感应用试验,为未来开展星载热红外高光谱相机研制和数据处理奠定基础。

热红外高光谱成像仪光谱匹配盲元检测算法

受红外焦平面阵列生产工艺及材料本身特性影响,红外焦平面阵列不可避免地存在盲元,严重困扰红外数据的处理与应用。光栅分光推扫式热红外高光谱成像仪一般以红外焦平面阵列的其中的一维作为光谱维进行推扫式成像,空间维只剩一维,与一般的热像仪具有二维空间维的成像机制有很大区别。常规的实验室定标法和开窗处理的场景检测方法不能满足该成像方式的盲元检测需求。以热红外高光谱成像仪中的盲元检测为目标,有针对性地提出了基于光谱匹配的盲元检测算法。该方法从光谱维角度出发,以不同温度实验室黑体定标数据生成温升光谱数据,在数据规则化处理的基础上,自动提取有效像元目标的伪光谱曲线,采用光谱角匹配的方式实现盲元的自动检测。以典型的热红外高光谱成像仪获取数据并开展盲元检测实验,结果表明该方法充分利用了热红外高光谱成像仪的光谱维信息,检测精度较高,盲元补偿后的数据可满足热红外高光谱数据的行业应用。

基于场景的热红外高光谱数据光谱定标

传感器每个波段的中心波长和半高全宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)随成像环境变化会发生较大的系统性漂移。这种漂移最终会影响发射率和温度的反演精度,尤其是在大气吸收波段附近的发射率反演精度。选择水汽在11.73μm处的吸收通道作为参考波段,提出了适用于热红外高光谱数据的光谱定标技术流程。模拟实验表明:光谱分辨率为50 nm,中心波长偏移在-50~50 nm、FWHM变化在-25~25 nm时,大气水汽含量对光谱定标误差的影响最大。同时,对误差分布曲面进行拟合得到描述误差分布模型,用于误差的估计。当大气水汽含量足够大时,光谱中心波长偏移估算误差可达到1 nm以内。最后,将所提方法应用于机载热红外高光谱数据光谱定标。结果显示,热红外高光谱成像仪中心波长偏移为28.4 nm,FWHM变化为-18.5 nm。

热红外高光谱图像非均匀性校正方法研究

热红外高光谱成像因其被动成像、全天候工作等诸多优点,在军事和民用领域得到了日益广泛的应用,但国内受限于热红外面阵探测器、深低温光学系统等关键技术,少有基于实用样机高光谱数据集的数据处理研究。现以国内首次研制的实用热红外高光谱成像系统为依托,研究了一套相关的高光谱数据处理方法,为进一步光谱数据应用打下了基础。

基于光谱匹配的热红外高光谱数据岩性分类研究

从岩石光谱出发,结合光谱谱带强度特征和光谱波形特征,针对机载热红外高光谱数据(TASI),在以往算法基础上,提出一种改进的算法——光谱离散能级波形匹配法(SDEM),并将其运用到岩性分类研究中。SDEM算法能识别岩石光谱间的微小差异,并在充分考虑光谱谱带强度和波形特征的同时,有效减弱数据噪声。与传统的岩性分类方法——高光谱角度制图法(SAM)相比,改进的算法能更精确地区分岩石相似光谱,识别易混淆岩性,对出现"异物同谱"现象的岩石也具有更好的区分能力。将SDEM、SAM方法应用于甘肃柳园地区TASI数据岩性分类研究中,可看出SDEM方法能识别出SAM未识别或识别错误的岩性。通过研究区野外查证,可知SDEM方法所得岩性分类结果更符合岩石实际分布情况。可见光谱离散能级波形匹配法具有较好的岩性分类效果,能更好地区分地物。

基于热红外高光谱图像的差值均衡校正技术

本文依托于某专项任务研制的热红外高光谱设备开展了部分研究工作,该设备于2016年3月开展了海南东方市的功能飞行试验。针对背景辐射信号恢复,非均匀性两点校正后仍残余光谱维非均匀性的问题,提出了针对热红外高光谱数据谱段内差值均衡的处理方法,进一步提升了热红外高光谱数据立方体的质量,得到不影响原始光谱曲线的图像。

甘肃花牛山金矿区热红外高光谱遥感特征分析与找矿预测

利用甘肃省花牛山金矿区热红外高光谱遥感数据(CASI/SASI/TASI)提取矿化蚀变矿物进行矿物填图,通过地面热红外高光谱测试验证其准确性,对热红外高光谱遥感矿化蚀变矿物分布规律和组合特征进行分析,结合矿床矿体特征、围岩蚀变特征,建立基于CASI/SASI/TASI数据蚀变矿物分带找矿预测模型。利用该模型在找矿预测区内进行找矿预测,新发现多处金、铜等多金属矿化线索,找矿效果显著,为热红外高光谱遥感蚀变矿物填图技术的推广应用提供了实例。

成像狭缝对热红外高光谱成像仪接收能量的影响

由于热红外高光谱成像仪的狭缝宽度与成像波长在同一量级,光在其内部传播时能量发生损失而不能全部被探测器像元接收,因此基于几何光学的计算像元能量的方法已不再适用。为了探究能量损失情况,采用时域有限差分方法计算了热红外高光谱成像仪中光聚焦入射狭缝前表面时狭缝后光强的分布,并利用瑞利-索末菲矢量衍射理论得到了远场光强分布,从而分析了不同狭缝宽度、狭缝厚度时能量的损失情况,并搭建了实验装置进行验证。结果表明,随着狭缝宽度增加,能量损失逐步减小,且能量主要是由于狭缝后方光波衍射导致能量不能全部进入后级成像镜头而损失,在狭缝内部损失的能量很少。当狭缝宽度为几十微米量级时,狭缝厚度对能量损失影响不大。

基于列相关的热红外高光谱遥感图像非均匀性校正

由于探测单元之间响应不一致、电子增益和偏置发生变化、焦平面污染和损伤等因素,推扫式热红外成像光谱仪获取的图像常常表现为图像列之间不均匀,条带噪声严重,影响了热红外高光谱遥感图像的后续处理和应用。结合推扫式成像光谱仪非均匀性的来源和成因,以相邻地物的相关性为理论基础,提出了适用于热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正方法。该方法的步骤是,首先逐波段对原始热红外高光谱遥感图像进行标准矩匹配校正,得到标准矩匹配校正图像;然后,以标准矩匹配校正图像为基础,选择相邻两列像元中相同的地物像元;最后,用两列中相同的地物像元,通过线性回归得到后一列的校正系数,并对其进行校正,顺次遍历一个波段的所有列,完成一个波段图像的非均匀性校正。按照此过程,遍历一幅热红外高光谱遥感图像的所有波段,完成一幅热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正。将该方法应用于推扫式热红外光谱成像仪实际获取图像的非均匀性校正中。结果表明,相比矩匹配方法,在保证非均匀性校正效果的情况下,本文方法的各列均值和标准差更符合实际情况。

基于航空热红外高光谱TASI数据的城市热岛强度

基于航空热红外高光谱TASI数据开展城市热岛强度研究,通过建立热红外高光谱发射率的经验关系,对分离方法(TES)中MMD模块予以改进,建立针对TASI数据的温度反演模型,利用该模型完成了1500 km^(2)锦州市TASI数据处理和温度反演工作,开展城市热岛的空间分布、范围及强度研究。结果表明,TASI数据反演温度与实测温度的平均绝对误差为0.81 K,平均相对误差为0.25%,提取的城市热异常范围准确,能够为城市热岛研究提供一定的决策支持;城市热岛强度与不透水面呈正相关关系,与植被覆盖呈负相关关系;城市热岛强度与土地利用覆盖类型有较大相关性,现代居民区和商业区强度高于城中村和城乡结合部建筑,农用地城市热岛强度最低。

热红外高光谱遥感影像信息提取方法综述

热红外高光谱遥感影像蕴含着丰富的光谱特性和温度信息,能够反映出地物、气体等特有的诊断特征,在矿物识别、环境监测和军事等众多领域发挥着重要作用。然而,由于热红外高光谱观测数据受到地表温度和发射率、大气环境和仪器测量噪声等共同影响,引起背景噪声与目标信号差异较小、耦合信号无法精确分离等问题,使得热红外高光谱影像信息提取存在巨大的挑战,难以有效实施应用。针对热红外高光谱信息提取的研究进展和现存难点,本文系统梳理了热红外高光谱影像信息提取方法,主要包括地表温度和发射率地表参量反演、热红外高光谱混合光谱分解、影像分类及目标探测。在此基础上,总结现有热红外高光谱信息提取的现状和问题,包括高光谱丰富光谱信息在地气参数反演方面尚未得到充分的利用,基于深度学习理论实现热红外高光谱地表参量反演及混合像元分解、地物分类、目标探测应用仍处于起步阶段且面临数据集匮乏。如何充分利用热红外高光谱密集通道,融合物理模型和深度学习理论实现智能化、高精度的地气参数一体化反演,并在此基础上进行热红外高光谱混合像元分解、地物分类、目标探测是热红外高光谱遥感影像信息提取未来可能的发展趋势和研究方向。

基于高光谱热红外发射率光谱的地表岩石CaO含量定量估计

通过对西藏冈底斯山东段23种岩石固体样本的野外发射率光谱测量,分别分析了这些样本的CaO含量与热红外发射率原始光谱和一阶微分光谱的相关关系。在此基础上,建立了几种典型的回归模型,并对各种建模结果进行了比较。结果表明,利用高光谱热红外发射率光谱反演地表岩石CaO的含量是可行的;地表岩石CaO含量与热红外发射率光谱特征之间有较好的对应关系;在10.3～13μm波长范围内,岩石的发射率随CaO的含量增加而降低;相比原始发射率光谱,一阶微分光谱具有更好的预测效果。结果为遥感岩矿识别提供了一种新的思路。

大柳塔矿区煤火高光谱热红外定量探测研究

为了准确提取内蒙古大柳塔矿区煤火燃烧范围,基于夜间TASI航空热红外高光谱遥感数据,采用发射率归一化方法和地表同步测温数据建立空-地回归方程反演地表温度,选择合理的阈值提取煤火热异常范围。在此基础上,利用Modtran4模拟大气上行、下行辐射和透过率,并结合反演的地表温度解算地物发射率,利用地物自身发射率光谱上的特性差异,将电厂温排水、热厂房和烟囱等非煤火热异常从煤火热异常中分离,排除了干扰因素对提取地下煤火燃烧异常区范围的影响。结果表明,TASI数据1～16波段（8054.8～9679.3nm）适合煤火热红外温度反演,反演的地表温度精度满足定量探测研究,提取的煤火燃烧热异常范围准确,能够为矿区煤田灭火提供一定的决策支持。

高光谱热红外温度发射率分离的相关-小波法

针对高光谱数据热红外温度和发射率反演为病态方程且易受大气下行辐射噪声干扰的问题,提出了基于相关性和小波滤波相结合的高光谱热红外温度发射率分离方法,即相关-小波法。在相关性方法的基础上,引入小波降噪的思想,生成一系列温度梯度,在不同温度梯度下,带入大气下行辐射计算得到的发射率曲线和不考虑大气下行辐射直接小波滤波得到的发射率曲线计算相关性,取相关性最大时的温度为反演温度。同时在反演发射率时利用相关性计算不同尺度的小波信号所占的比例合成发射率曲线。模拟数据结果显示:相关-小波法在温度梯度为0.01 K时,温度反演平均误差为0.05 K,并且相关-小波法在温度反演精度和发射率反演精度上都优于相关性方法和小波法。由此表明,该算法可一定程度上抑制大气校正不准确引入的误差,有效提高热红外温度和发射率的反演精度。

热红外航空高光谱蚀变信息找矿应用研究

航空热红外(TASI)高光谱遥感数据具有高光谱分辨率和高空间分辨率特征,能获取多种地物的特征光谱,据此识别岩石、矿物等相关信息。文章利用航空热红外高光谱遥感数据(TASI)在北山成矿带(甘肃花牛山地区)进行蚀变矿物信息提取,在分析花牛山地区地质特征、构造特征、矿产特征及热红外光谱蚀变信息分布特征的基础上,剖析了区内铅锌矿床的热红外航空高光谱蚀变信息类型及其组合特征,认为花牛山地区"硅化+矽卡岩化"蚀变组合指示了铅锌矿床的产出位置及成矿环境,据此建立了基于花牛山铅锌矿的热红外航空高光谱蚀变信息找矿标志,并结合地质条件圈定两片成矿有利区,在圈定的成矿有利区发现了铅锌矿化。